Wszystkie istoty żywe charakteryzuje wspólna właściwość, którą jest przemiana materii- metabolizm- obejmuje dwa przeciwne procesy, z których jeden to:
Anabolizm czyli asymilacja, przyswajanie polega na gromadzeniu energii w żywym organizmie
Katabolizm czyli dysymilacja, rozpad związany jest ze zmniejszaniem zapasu tej energii.
W warunkach fizjologicznych oba procesy zachodzą jednocześnie. W okresie wzrostu organizmu anabolizm przeważa nad katabolizmem, a po osiągnięci dojrzałości metabolizm wykazuje równowagę enargetyczną.
Metabolizm jest podstawowym warunkiem życia biologicznego żywego organizmu.
Przebiega wewnątrz organizmu czyli w jego środowisku wewnętrznym.
Komórki i ich błony komórkowe dzielą wodę organizmu na trzy przestrzenie płynów ustrojowych:
Płyn w przestrzeni wewnątrzkomórkowej stanowiący ok. 40% masy ciała u mężczyzn i 30% u kobiet.
Płyn w przestrzeni zewnątrzkomórkowej nie jest jednorodny pod względem składu i rozmieszczenia. Obejmuje osocze, płyn tkankowy i chłonkę.
Płyn w przestrzeni transkomórkowej zaliczany jest również do płynu zewnątrzkomórkowego. Tworzą go płyn mózgowo rdzeniowy, płyn w komorach oka, maź stawowa, płyn surowiczy w jamie opłucnej, płyn osierdziowy i soki trawienne.
Stężenie jonów zarówno w płynie zewnątrzkomórkowym, jak i wewnątrzkomórkowym przyjęto wyrażać w molach (mol) w litrze roztworu zgodnie z układem SI.
Osmolarność płynu określa ciśnienie osmotyczne panujące w jednym litrze roztworu, a więc mówi o liczbie swobodnie poruszających się cząsteczek i wywieranym przez nie ciśnieniu na błony półprzepuszczalne, do których należą również błony komórkowe.
Homeostaza jest to:
zdolność do zachowania stałego środowiska wewnętrznego pomimo zmieniającego się środowiska zewnętrznego.
Oznacza względną stałość parametrów fizjologicznych, a także mechanizmy, które ją podtrzymują.
W warunkach zachowanej homeostazy nie dochodzi jednak do znacznych przesunięć w rozmieszczeniu wody i zmian w stężeniu jonów. Zawartość wody w komórkach i stężenie poszczególnych jonów w płynach ustrojowych oscylują w pewnym zakresie wokół określonych wielkości fizjologicznych. Im mniejsze są to oscylacje wywołane zmianami w środowisku zewnętrznym , tym lepiej zachowane jest środowisko wewnętrzne czyli lepsza homeostaza.
CZYNNOŚĆ KOMÓRKI
KOMÓRKA to podstawowa jednostka czynnościowa z której utworzone są wszystkie tkanki narządy i układy w organizmie człowieka, które bez względu na stopień zróżnicowania cechuje metabolizm i biosynteza. Są one zbudowane z cytoplazmy i struktur cytoplazmatycznych oraz jądra komórkowego. Do struktur cytoplazmatycznych zalicza się : błonę komórkową, siateczkę śródplazmatyczną, rybosomy, aparat Golgiego, mitochondria i lizosomy.
BŁONA KOMÓRKOWA oraz błony organelli komórkowych służą rozdzieleniu i zachowaniu integralności komórki. Ma ona grubość 7,4 do 10 nm, ma płynną mozaikowatą strukturę. Składa się z dwóch warstw cząsteczek fosfolipidów ustawionych długą osią prostopadle do powierzchni błony. W błonie komórkowej jak gdyby pływają białka globularne zajmujące warstwę zewnętrzną lub wewnętrzną fosfolipidową, jak również całą grubość błony.
Białka błony komórkowej zazwyczaj zbudowane są z kilku podjednostek i można je podzielić na cztery grupy w zależności od spełnianych przez nie funkcji:;
Białka integralne, który bieguny ustawione są na zewnątrz błony.
Białka nośnikowe tworzące kanały aktywnego transportu cząsteczek przez błonę komórkową.
Białka tworzące kanały jonowe.
Białka receptorowe wiążące swoiście cząsteczki chemiczne, zwane ligandami, takie jak: przekaźniki chemiczne i inne substancje występujące w płynie zewnątrzkomórkowym.
Transport przez błonę komórkową zależy od masy cząsteczkowej, właściwości, średnicy i ładunku elektrycznego cząsteczek związków chemicznych.
Cząsteczki rozpuszczalne w tłuszczach przenikają przez warstwy fosfolipidowe błony komórkowej w obu kierunkach na zasadzie dyfuzji bez względu na ich średnice. Dyfundują one zgodnie z gradientem stężenia to znaczy przenikają przez błonę komórkową zawsze od strony większego stężenia do mniejszego stężenia.
Ułatwioną dyfuzją nazywany jest transport błonowy, w którym dodatkowy czynnik wspomaga dyfuzję zgodnie z gradientem stężeń. Tym dodatkowym czynnikiem może być np.; ujemny ładunek elektryczny wewnątrz komórki ułatwiający dokomórkową dyfuzję jonów o dodatnim ładunku elektrycznym.
Związki nie rozpuszczalne w tłuszczach są aktywnie transportowane przez białka nośnikowe tworząc z nimi nietrwałe kompleksy. Po przeniesieniu cząsteczek połączonych z białkiem nośnikowym przez błonę komórkową kompleks rozpada się, uwalniając cząsteczki do cytoplazmy. Tego typu transport przez błonę komórkową, przeciw gradientowi stężenia, nazywa się aktywnym transportem. w ten sposób przenoszone są przez błonę komórkową cząsteczki monosacharydów i aminokwasów.
Białka tworzą kanały jonowe biernie lub aktywnie transportują kationy i aniony zgodnie lub przeciw gradientowi stężenia i ładunku elektrycznego.
Aktywny transport i ułatwiona dyfuzja wymagają zużycia energii, która czerpana jest głównie z rozpadu ATP w czym bierze udział adenozynotrifosfataza białko enzymatyczne w błonie komórkowej.
Uniportem nazywa się przenoszenie cząsteczek jednej substancji chemicznej przez białko nośnikowe do komórki.
Symportem nazywa się jednoczesne przenoszenie dwóch cząsteczek substancji chemicznych do komórki np.; jony NA+ i glukozy do enterocytów w jelicie cienkim.
Antyport jest to jednoczesne przenoszenie przez białko nośnikowe cząsteczek dwóch różnych substancji chemicznych, jednych na zewnątrz drugich do wewnątrz komórki. Transport błonowy typu antyportu występuje w błonach komórkowych neuronów i komórek mięśniowych.
RECEPTORY BŁONOWE
Receptory są to struktury występujące w komórkach, które posiadają zdolność rozpoznawania, wybiórczego wiązania, cząsteczki (ligandu - ogólna nazwa dla substancji charakteryzujących się zdolnością do swoistego łączenia się z receptorem) i pośredniczenia w wywołaniu odpowiednich reakcji wewnątrzkomórkowych.
Wyróżniamy receptory: zewnętrzne występujące na błonie komórkowej, oraz receptory wewnętrzne, gdy są rozmieszczone w cytoplazmie lub jądrze komórkowym.
Białka receptorowe nie tylko oddziałują na inne białka błony komórkowej, ale również same transportują cząsteczki chemiczne z płynu zewnątrzkomórkowego do cytoplazmy.
Odbieranie i przetwarzanie informacji przez błonę komórkową przebiega w trzech etapach:
Rozróżnianie sygnałów: informację odbieraną stanowią sygnały, czyli cząsteczki przekaźników chemicznych, działające niezależnie od siebie na błonę komórkową. Receptory błonowe odróżniają cząsteczki na nie działające, np.; cząsteczki acetylocholiny od cząsteczek noradrenaliny.
Przenoszenie sygnałów: białka receptorowe związane ze swoistymi przekaźnikami chemicznymi oddziałują na białka kanałów jonowych i białka enzymatyczne.
Wzmacnianie sygnałów: sygnały odebrane przez komórkę, czyli na wejściu układu, są zazwyczaj zbyt słabe, aby mogły wpływać istotnie na metabolizm wewnątrzkomórkowy, dlatego muszą zostać odpowiednio wzmocnione poprzez drugi wewnątrzkomórkowy przekaźnik chemiczny.
JĄDRO KOMÓRKOWE
Oddziela od cytoplazmy podwójna błona jądrowa, w której występują pory zazwyczaj zamknięte błonami.
Przestrzeń znajdująca się pomiędzy blaszkami błony jądrowej tworzy zbiornik błony jądrowej i jednocześnie łączy się z przestrzenią wewnątrz siateczki śródplazmatycznej.
W okresach pomiędzy podziałami komórki jądro komórkowe stanowią chromosomy.
W jądrach komórek człowieka występują 23 pary chromosomów: 22 pary chromosomów somatycznych i 1 para chromosomów płciowych, łącznie w każdej komórce 46 chromosomów.
Przed podziałem komórki macierzystej na dwie komórki potomne cyklu komórkowego następuje duplikacja chromosomów dzięki wytworzeniu się podwójnych nici chromatydowych. Do każdej potomnej komórki przesuwają się 23 pary chromosomów, czyli 46 chromosomów.
Każdy z chromosomów składa się z dwóch nici chromatydowych połączonych ze sobą za pomocą centromeru.
Nici chromatydowe w jądrze komórkowym zbudowane są z białek jądrowych i łancuchów kwasów deoksyrybonukleionowych tworzących podwójną helisę DNA.
Łańcuch DNA stanowi matrycę, na której zachodzi synteza komplementarnego łańcucha DNA.
Po podziale komórki jądra komórek potomnych zawierają nici chromatydowe o takiej samej sekwencji zasad jak jądra komórki macierzystej. Dzięki temu komórki potomne zawierają tę samą informację genetyczną zakodowaną w sekwencji zasad purynowych i pirymidowych łancuchów DNA.
Kontrola procesów zachodzących w komórce przez materiał genetyczny zawarty w jądrze komórkowym zapoczątkowany jest przez proces transkrypcji.
W jądrze komórkowym na łańcuchach DNA syntetyzowane są trzy rodzaje kwasów rybonukleionowych (RNA): matrycowy (mRNA), transportujący (tRNA), rybosomalny (rRNA). W procesie transkrypcji powstają w jądrze komórkowym prekursory mRNA, tRNA, rRNA.
SIATECZKA ŚRÓDPLAZMATYCZNA ZIARNISTA
Jest to struktura błoniasta z zawartymi na powierzchni rybosomami.
Uczestniczy w syntezie białek, które odpowiednio zaadresowane wędrują i stają się częścią błony komórkowej , lizosomów i pęcherzyków sekrecyjnych. Białka po zsyntetyzowaniu w rybosomach wchodzą do wnętrza siateczki, a po jej opuszczeniu część z nich trafia do aparatu Golgiego.
SIATECZKA ŚRÓDPLAZMATYCZNA GŁADKA
W obrębie siateczki śródplazmatycznej gładkiej zachodzi biosynteza i magazynowanie niektórych związków, przede wszystkim tłuszczów, oraz polimeryzacja glukozy i tworzenie się ziarnistości glikogenu.
LIZOSOMY
Lizosomy są to pęcherzyki otoczone pojedynczą błoną i zawierające hydrolityczne trawiące białka, kwasy nukleinowe i węglowodany.
W obrębie lizosomów zachodzi trawienie zarówno fragmentów własnej komórki, jak i fragmentów obcych komórek i obcych cząsteczek, które zostały wchłonięte do wnętrza na drodze fagocytozy lub pinocytozy.
Niedostateczna prężność cząsteczek tlenu w komórce, czyli niedotlenienie, powoduje przechodzenie enzymów przez błonę lizosomalną do cytoplazmy i samostrawienie komórki.
ENDOCYTOZA
Endocytoza obejmuje dwa procesy: fagocytozę i pinocytozę.
Fagocytoza zachodzi wtedy, kiedy większe fragmenty obcych komórek lub mikroorganizmy zostają otoczone błoną komórkową i są wciągane do wnętrza komórki, gdzie tworzą wakuole. Z kolei do tych wakuoli otwierają się lizosomy zawierające enzymy. Dzięki nim sfagocytowane fragmenty ulegają strawieniu w obrębie wakuoli i zostają uwolnione do cytoplazmy, w której mogą pozostać w postaci ciał resztkowych.
Pinocytoza jest procesem podobnym do fagocytozy z tą różnicą, że dotyczy cząsteczek związków chemicznych, które przyczepiają się do zewnętrznej powierzchni błony komórkowej. W tym miejscu błona ulega zagłębieniu aż do wytworzenia się wakuoli. Następnie cząsteczki te są trawione przez enzymy zawarte w lizosomach, a produkty końcowe hydrolizy przechodzą do cytoplazmy. Dzięki pinocytozie do wnętrza komórki dostają się duże cząsteczki np.; białka, które nie przenikają przez błonę komórkową.
EGZOCYTOZA
Egzocytoza jest procesem wydalania z komórki substancji hydrofilnych zawartych w cytoplazmatycznych pęcherzykach błoniastych, polegającym na fuzji pęcherzyka z błoną komórkową i uwolnieniu jej zawartości bez uszkodzenia ciągłości błony.
MITOCHONDRIA
Mitochondria są strukturami komórki, w których głównie wytwarzana jest energia. W obrębie mitochondriów są syntetyzowane adenozynotrifosforany-ATP, które są uniwersalnymi przenośnikami energii w komórce.
METABOLIZM WEWNĄTRZKOMÓRKOWY
Komórki pobierają z otoczenia, czyli z płynu międzykomórkowego, składniki odżywcze.
Składnikami tymi dla komórek są: glukoza, aminokwasy i kwasy tłuszczowe.
Pobieranie składników odżywczych odbywa się dzięki aktywnemu transportowi cząsteczek przez błonę komórkową przeciw gradientowi stężeń, w wyniku pinocytozy i w niektórych rodzajach komórek również dzięki fagocytozie.
Wyzwolenie energii ze składników odżywczych odbywa się w procesie odłączenia atomów wodoru od produktów rozpadu składników odżywczych i przenoszenia tych atomów na atomy tlenu.
Na drodze dyfuzji poprzez błonę komórkową stale są dostarczane atomy tlenu z zewnątrz czyli z płynu międzykomórkowego, do wnętrza komórki.
Wytwarzanie energii w komórce jest istotą oddychania wewnętrznego, czyli oddychanie wewnątrzkomórkowego.
Proces oddychania wewnątrzkomórkowego przebiega w dwóch fazach:
W fazie beztlenowej energia pozyskiwana jest w procesie glikolizy z głównego składnika odżywczego jakim jest glukoza. Przekształceniu glukozy w pirogronian towarzyszy powstanie dwóch cząsteczek ATP. Nie wymaga to obecności tlenu.
W fazie tlenowej tlen jest niezbędny do dalszego pozyskiwania energii z pirogronianu w wyniku jego rozkładu do dwutlenku węgla i wody. W razie braku tlenu w komórce, zachodzi tylko glikoliza beztlenowa kończąca się przekształceniem pirogronianu w mleczan. Proces glikolizy i powstanie pirogronianu przebiega w cytoplazmie komórkowej.
Energia wyzwolona w czasie rozpadu glukozy do pirogronianu zużyta jest do syntezy ATP. Przeciętnie w fazie beztlenowej zostaje zsyntetyzowane około 5% ogólnej ilości ATP komórkowego. Pozostałe 95% ATP komórkowego zostaje zsyntetyzowane w mitochondriach w fazie tlenowej.
Energia wyzwolona w czasie rozpadu ATP zostaje zużyta:
Na transport aktywny jonów i substancji drobnocząsteczkowych przez błonę komórkową wbrew gradientowi stężeń oraz na transport wewnątrzkomórkowy.
Do syntezy składników komórkowych, takich jak: DNA, RNA, białka, lipidy, oraz resyntezy glukozy i polimeryzacji glikogenu komórkoego.
Na pracę mechaniczną komórki polegającą na ruchu cytoplazmy komórkowej lub skracaniu się białek kurczliwych w komórkach mięśniowych.
Uwolniony w czasie jednego z powyższych procesów ADP powraca do mitochondriów, gdzie ponownie uczestniczy w resyntezie ATP. W ten sposób ATP służy jako uniwersalny magazyn i jednocześnie przenośnik energii w komórkach.
SAMOREGULACJA METABOLIZMU KOMÓRKOWEGO
Procesy biosyntezy komórkowej podlegają kontroli humoralnej lub kontroli nerwowej ze strony innych komórek znajdujących się często w odległych narządach.
Na równi z kontrolą zewnętrzną, humoralną lub nerwową procesy biosyntezy podlegają samoregulacji w obrębie pojedynczej komórki.
Nadmiar jakiegoś produktu wytworzonego w komórce hamuje jego dalszą syntezę zarówno na etapach końcowych przez inaktywownie odpowiedniego enzymu, jak również na etapach pośrednich i początkowych dzięki hamowaniu syntezy tego enzymu. W ten sposób komórka zabezpiecza się przed nagromadzeniem się w niej pewnych związków w ilościach przekraczających granice fizjologiczne. Przekroczenie tej granicy przy niedostatecznie sprawnej samoregulacji może doprowadzić do obumierania komórki.
CYKL KMÓRKOWY I ŚMIERĆ KOMÓRKI
Komórki nabłonka, krwiotwórcze i tkanki łącznej zachowują zdolność do podziałów na komórki potomne w ciągu całego życia organizmu człowieka. Nie dzielą się natomiast komórki nerwowe i mięśni poprzecznie prążkowanych po zakończeniu wzrostu organizmu.
Komórka zdolna do podziałów pozostaje w spoczynku, czyli w fazie G. Komórki somatyczne z tej fazy spoczynkowej wstępują w fazę G1 i rozpoczynają cykl komórkowy.
Następną fazą jest faza S, w czasie której zachodzi w jądrze komórkowym replikacja łańcuchów DNA, jak również wzmożona synteza białka jądrowego, histonowego i niehistonowego.
Następna jest faza G2 , która tym się charakteryzuje, że w jądrach komórek somatycznych występuje podwójna liczba chromosomów i łańcuchów DNA. W fazie mitozy następującej po fazie G2, chromosomy rozdzielają się do dwóch komórek potomnych, po czym komórki potomne mogą rozpocząć kolejny cykl komórkowy lub pozostają w spoczynku w fazie G0 (zero). Zrówno komórki dzielące się, jak i nie dzielące się są wrażliwe na zmiany zachodzące w środowisku wewnętrznym organizmu, szczególnie na niedobór tlenu niezbędnego do metabolizmu wewnątrzkomórkowego.
Niedobór tlenu powoduje śmierć komórek, czyli ich nekrozę, przejawiającą się w samostrawieniu przez własne enzymy wewnątrzkomórkowe, rozpadzie błony komórkowej i wypłynięciu składników komórkowych.
W przeciwieństwie do czynników fizycznych i chemicznych, działających na komórki z zewnątrz i powodujących ich śmierć, w warunkach fizjologicznych w organizmie występuje również zaprogramowana śmierć komórek, czyli apoptoza. Komórki podlegające apoptozie są szybko usuwane przez komórki żerne wędrujące w tkankach i pożerające, czyli fagocytujące, martwe komórki.